水库除险加固工程的分析与设计

吕绍文

【摘 要】随着水库运行时间的增长，水库暴露出来的安全隐患也逐渐增多，为了确保水库的安全稳定运行，及时进行除险加固设计就显得尤为重要。本文结合水库工程实例，在阐述了水库目前存在的安全隐患和除险加固的必要性的基础上，对水库进行了加固设计。

【关键词】病险水库；除险加固；必要性；设计

水库在防御洪水灾害和保障国民经济建设上发挥了不可替代的作用。但由于使用年限的增加及本身施工质量不理想等原因，有些水库工程存在较严重的安全隐患，成为了带病运行的水库。因此，对现有水库开展除险加固工作，进行除险加固设计，在保证下游人民生命财产的安全和充分发挥水库的效益，不仅非常必要，而且十分迫切。

1.水库工程实例

某水库于上世纪八十年代兴建，是一座以防洪、农业灌溉、城市供水为主的小（I）型水库。坝顶高程1194.10m，上游坝坡1：3，下游坝坡1：2.5。

水库保护着下游人民财产不受洪水侵害，受益人口7500人，保护耕地面积466.7hm2。由于防洪标准提高，未设溢洪道，自身泄洪能力不足，对下游安全存在着潜在的巨大威胁，已成为严重病险水库。因此，实施以增设泄洪设施达到国家防洪标准除险加固工程是非常必要和十分迫切的。

2.挡水建筑物设计

2.1挡水建筑物现状及采取措施

现状坝体主要填筑土层岩性为含细粒土砂，呈稍密-中密状态，中上部稍湿，下部很湿-饱和，微有塑性，渗透系数5.4×10-4cm/s。因此，主坝坝体存在渗漏问题，且坝体土质表面松散，含草根等杂物，坝坡稳定坡角不够。因此，坝体存在渗漏和稳定影响问题。

2.2坝顶高程确定及其构造

1）坝顶宽度及构造。本工程拦河土坝高度为5.6m，属低坝范畴。在确定坝顶宽度时，主要考虑如下情况：

坝顶无干线公路及铁路通过；地震设计烈度为VI度，无抗震要求；坝顶最小宽度，能满足施工机具通行；顶宽利于管理运用；综合考虑，选坝顶宽度为5m。

2）土坝坝坡。土坝的坝坡根据坝型、坝高、坝的等级、筑坝土料的性质，坝基地质条件及施工运用条件等因素，可参照已建工程的实践经验或用近似方法初步拟定，最终经稳定计算确定。

2.3护坡及坝面排水

1）上游护坡。上游护坡采用C20混凝土护坡，从坝顶起到下部死水位以下1.5m。根据计算，结合《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定，土坝上游护坡厚度采用0.2m，其下铺设20cm厚中粗砂过渡层。纵、横缝间距10m，填缝材料为沥青混凝土。

2）下游护坡。下游护坡为草皮护坡。

3）坝体排水。考虑便于施工、利于维修，本工程选择贴坡式排水体。

4）坝面排水。在坝体下游坡设横向排水沟，每50m设一条。排水沟采用混凝土预制，为矩形断面，断面尺寸为0.3m×0.3m，侧墙底板厚0.15m。

3.泄水建筑物设计

3.1工程布置

根据本工程的地形地质条件，结合工程实际应用情况，不适合布置溢洪道及泄洪隧洞来泄洪。

该水库现状泄洪设施为泄洪闸与泄洪洞上下结构布置，上层为泄洪闸，下层为泄洪洞。该水库泄洪闸不能满足泄洪要求，经方案比较和调洪计算，确定泄洪闸净宽为6m，设计洪水位1194.00m时，泄量41m³/s，校核洪水位1195.30m时，泄量113.5m³/s。

泄洪闸底板高程为1190.00m。泄洪闸沿线地层呈岩土二元结构，上部为（Q4al-pl）级配不良砂下部为（k1zh2）细砂岩，不存在地基液化问题，但存在渗透变形影响。

闸室底板垂直水流方向，为两孔一联整体式钢筋混凝土结构。顺水流方向，由于挡水高度低，闸室整体稳定与地基条件，不控制其长度，根据结构布置要求确定。

闸墩采用实体式，中墩外形轮廓设计需满足过闸水流平顺、侧向收缩小及过流能力的要求，上下游墩头均采用半圆形。每孔设一道平板工作闸门，一道检修闸门，两闸门间距2.2m。

闸室上游段设混凝土水平铺盖，翼墙采用八字型式。下游段采用底流式消能，消力池采用下挖式，用斜面与闸室底板连接，斜坡面的坡比为1∶4。在消力池后设海漫和防冲槽。

3.2消能工设计

1）消力池尺寸确定。按照《水闸设计规范》（SL265-2001）所示，经计算，在渲泄设计洪水时，所需消力池深度为1.25m，为安全考虑并利于水流衔接，取设计池深为1.5m。经计算，需消力池长度为14.38m，取为15.0m。斜坡段水平投影长度为6m。斜坡与闸底板连接处用1.0m长水平段进行平顺连接。

2）海漫尺寸确定。经计算，海漫长度为20m。

海漫末端河床冲刷深度计算公式按照《水闸设计规范》（SL265-2001）附录B所示，经计算，海漫末端冲刷深度为7.8m。防冲槽尺寸按工程惯例，采用宽浅式梯形断面结构，槽顶与槽底高差取为2.0m。

3.3上游铺盖设计

铺盖采用材料为混凝土，铺盖长度按渗流分析结果，取其为14.0m。为保证铺盖防渗效果，以及便于施工，铺盖厚度取为0.7m，并做成等厚度型式。上游齿墙深入铺盖下地基深度为1.5m。为保证铺盖与闸室可靠连接及布置止水，下游齿墙深入铺盖下地基深度为1.5m。根据工程经验及规范要求，并结合本工程地基土质情况，铺盖顺水流方向不设永久缝。铺盖与两岸翼墙及闸室结合部，设永久缝，缝宽2cm，内设橡胶止水。

3.4闸室结构设计

1）闸顶高程确定。闸顶高程和坝顶同高。其值为1196.00m。

2）底板尺寸确定。就本工程而言，此长度的拟定需综合考虑了闸墩、闸门、工作桥、交通桥的结构布置需要及水闸运行管理方便等因素，并且保证为宽顶堰流，参照同类型工程设计经验，拟定底板顺水流方向长度为8.5m。

底板厚度为等厚，根据闸孔孔径、地基土质，参照以往工程设计，底板材料选为C25钢筋混凝土，厚度为1.0m。

底板上、下游侧均设齿墙，齿墙尺寸按常规选取。根据地基土质及地下水情况，确定齿墙深度为2.0m。

3）中墩、边墩尺寸确定。中墩墩长同底板顺水流方向长度相同，为8.5m，墩厚根据结构及施工方法确定，拦河闸采用平板钢闸门，要求门槽槽深不小于0.25m，从施工角度要求，门槽颈部最小厚度不小于0.3m，综合考虑上述要求，中墩厚度取为1.5m。中墩上下游均采用半圆形墩头结构，直径为0.75m。边墩的结构型式与尺寸与中墩相同。

3.5上下游翼墙设计

上游采用八字型翼墙，为C15混凝土结构。上游翼墙顺水流方向投影长度为14.0m。上游翼墙首端与闸室相接处，因高度在6m以下，故采用重力式结构，顶宽0.4m，外坡坡度为10∶1。

3.6消力池设计

消力池型式采用“下挖式”，平面布置采用等宽型式。消力池首端与闸室相接处，设1.0m宽平台，其后接1∶4斜坡段，斜坡后接消力池水平段，长3.2m。在消力池末端，为便于水流衔接，设消力坎。整个消力池底部铺设0.15m厚C10素混凝土垫层。

3.7海漫设计

海漫采用等宽混凝土结构，由水平段和缓坡段组成。水平段长5.0m，为混凝土结构，厚度为0.2m，浆砌块石与地基土之间铺设0.2m厚的砂层和0.2m的碎石垫层。缓坡段坡率为1∶10，水平投影长度为15m，为干砌石结构，厚0.4m，混凝土下部铺设0.2m厚碎石垫层和0.2厚砂石垫层。

3.8防冲槽设计

防冲槽采用抛石等宽结构，槽顶与海漫缓坡段末端齐平。根据冲坑深度计算，槽深为2.0m，槽底宽度取为槽深的2倍，上下游侧边坡坡率均为1∶3。

4.输水洞工程设计

4.1输水洞工程现状

现状大坝左、右坝肩各设输水洞一座，其结构形式为砖砌体方涵，左侧输水洞尺寸为0.8m×1.0m，右侧输水洞尺寸为0.8m×1.0m。现闸门及启闭设备均已报废，而且结构严重损坏，已无法正常使用。本次除险加固在原输水洞处重建输水洞，其结构形式为钢筋混凝土结构。

4.2右侧输水洞结构设计

新建输水洞仍位于原右侧输水洞处，洞底高程根据地勘及下游灌溉渠道比降确定为1192.40m，涵洞由进口段、闸涵段及出口段组成。

1）进口段。涵洞进口段采用斜降U型槽结构，前缘底宽2.5m，末端底宽1.5m，底板厚0.4m，长5m，进水孔底宽1.0m，孔高为曲线渐变式，孔顶部设钢筋混凝土挡墙。

2）涵闸段。由闸室和涵洞两部分组成，闸孔净宽1.0m，净高1.0m，闸底高程1192.40m，压力涵洞长3.68m，无压涵洞长13.5m。闸室为竖井式，设有工作和检修闸门各一道，闸室段长5m。

3）出口段。出口段由扩散型消力池、混凝土海漫及出水渠三部分组成。涵洞出口与消力池采用1∶4的斜坡连接，消力池长8m，钢筋混凝土结构，池底做d100-PVC排水管，两侧边墙为梯形断面，边坡1∶1.0，浆砌石结构。

4.3左侧输水洞结构设计

新建输水洞仍位于原左侧输水洞处，洞底高程根据地勘及下游灌溉渠道比降确定为1192.50m，涵洞由进口段、闸涵段及出口段组成。

1）进口段。涵洞进口段采用斜降U型槽结构，前缘底宽2.5m，末端底宽1.5m，底板厚0.5m，长5m，进水孔底宽1.0m，孔高为曲线渐变式。

2）涵闸段。由闸室和涵洞两部分组成，闸孔净宽1.0m，净高1.0m，闸底高程1192.50m，压力涵洞长2.7m，无压涵洞长16.49m。

3）出口段。出口段由扩散型消力池、混凝土海漫及出水渠3部分组成。涵洞出口与消力池采用1∶4的斜坡连接，消力池长8m，钢筋混凝土结构，池底做d100-PVC排水管，两侧边墙为梯形断面，边坡1∶1.0，浆砌石结构。

5.结语

总之，为了确保水库工程应有的效益，对病险水库进行除险加固设计是必要的。在本病险水库除险加固中，通过精心设计，确定了合理除险加固措施，确保了除险加固工程的顺利开展，其设计经验可以作为类似工程的参考。

参考文献：

[1] 肖鹏.浅析小型水库的除险加固设计[J]科技创新与应用.2012年28期.

[2] 黄志良.病险水库的除险加固设计[J]现代农业科技，2012年第05期.